摘"要： 為了研究多因素耦合作用下跨海斜拉橋玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（basalt fiber reinforced polymer，BFRP）拉索的長(zhǎng)期服役性能，通過調(diào)研我國(guó)跨海斜拉橋所處典型地區(qū)的海洋氣候環(huán)境，分析了跨海斜拉橋BFRP拉索長(zhǎng)期服役性能的關(guān)鍵影響因素.基于IEC（international electrotechnical commission）多因子耐久試驗(yàn)方法，并結(jié)合我國(guó)跨海斜拉橋的實(shí)際服役環(huán)境，提出了一種跨海斜拉橋BFRP拉索的預(yù)應(yīng)力-紫外線-濕熱-降水-鹽霧多因素耦合耐久性試驗(yàn)方法.基于多因素耦合耐久性試驗(yàn)方法，開展了跨海斜拉橋BFRP拉索的多因素耦合耐久性試驗(yàn)及基本力學(xué)性能測(cè)試，分析了多因素耦合作用下BFRP拉索的力學(xué)性能退化規(guī)律，并通過微觀結(jié)構(gòu)分析闡述了多因素耦合作用下BFRP拉索的損傷失效機(jī)理.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：多因素耦合作用能夠顯著加速BFRP拉索力學(xué)性能的退化，且早期性能下降明顯，溫度對(duì)其性能退化的加速作用較大，BFRP拉索彈性模量下降幅度較小且無明顯規(guī)律.多因素耦合作用主要通過損傷纖維/樹脂界面影響B(tài)FRP拉索力學(xué)性能的退化.

關(guān)鍵詞： 跨海斜拉橋；BFRP拉索；多因素耦合耐久性；性能退化；損傷失效

中圖分類號(hào)：U443.38"""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A"""""文章編號(hào)：1673-4807（2024）04-065-07

Mechanical property and damage mechanism study of BFRP cables oncross-sea cable-stayed bridge under multi-factor coupled action

YANG Yaqiang， ZHOU Zixian ， GUAN Yanlin， XU Dan， SHEN Hao， JIANG Zonghao

（ School of Architecture and Civil Engineering， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212100， China）

Abstract：Basalt fiber reinforced polymer （BFRP） cables provide an effective way to construe the cross-sea cable-stayed bridges with high performance， long life and light weight， due to their superior mechanical and chemical properties， such as the high strength-to-weight ratio， anti-corrosion properties， fatigue-resistance and high-cost performance. To investigate the long-term service performance of BFRP cables of cross-sea cable-stayed bridges under multi-factor coupled effects， this paper summarizes the key factors affecting the long-term service performance of BFRP cables of cross-sea cable-stayed bridges according to an in-depth investigation of the marine climate environment in typical coastal areas of China. Based on International Electrotechnical Commission （IEC） multi-stress test procedure and service environment of cross-sea cable-stayed bridges， a new method for multi-factor coupled durability test of BFRP cables was proposed （Prestress-Ultraviolet-Temperature-"Humidity Cycles-Precipitation-Salt Fog coupled durability test）. Based on the proposed method， the multi-factor coupled durability tests and basic mechanical properties tests of BFRP cable were conducted. According to the test results， the degradation behavior of mechanical properties of the BFRP cables was analyzed. And the damage and failure mechanism of BFRP cable under multi-factor coupled action were expounded by the microstructure analysis. The results of this study indicate that the multi-factor coupled action can significantly accelerate the degradation of the basic mechanical performance. And the mechanical performance properties decline more pronounced during the early stage. Compared with other factors， the temperature plays a bigger role in accelerating the performance degradation. The elastic modulus of BFRP cable under multi-factor coupled action decreases slightly without distinct regularity. The microstructure of the BFRP cables shows that the multi-factor coupled action has an influence on the mechanical degradation through damaging the interface between the fiber and the matrix.

Key words：long-span cable-stayed bridge，BFRP cables，multi-factor coupled durability，performance degradation，damage failure

隨著港珠澳大橋、膠州灣大橋、杭州灣大橋和平潭海峽公鐵大橋的建成，跨海斜拉橋的跨徑不斷增加，自重大、垂度效應(yīng)明顯的傳統(tǒng)鋼拉索由于受到施工掛索與經(jīng)濟(jì)性能的影響將跨海斜拉橋的跨徑限制在1 300 m［1］.同時(shí)，嚴(yán)酷的海洋氣候環(huán)境以及復(fù)雜的荷載作用導(dǎo)致鋼拉索的長(zhǎng)期服役性能退化，嚴(yán)重威脅斜拉橋的安全與使用壽命，亟需一種輕質(zhì)高強(qiáng)、抗疲勞、高耐久的新型材料拉索替代鋼拉索建造跨徑更大、性能更優(yōu)的斜拉橋.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（fiber reinforced polymer，F(xiàn)RP），由于具有輕質(zhì)高強(qiáng)、抗疲勞、高耐久、施工便捷等特點(diǎn)，近30年被廣泛地應(yīng)用于結(jié)構(gòu)加固與修復(fù)等土木工程領(lǐng)域中，利用FRP材料制備拉索，是FRP材料最有效的應(yīng)用方式之一，F(xiàn)RP拉索替代傳統(tǒng)鋼拉索應(yīng)用于跨海斜拉橋，能夠突破跨海斜拉橋的跨越和耐久瓶頸，實(shí)現(xiàn)跨海橋梁結(jié)構(gòu)輕量化、高性能、長(zhǎng)壽命的目標(biāo)［2］.

目前應(yīng)用于斜拉橋的FRP拉索包括碳纖維復(fù)合材料拉索（carbon fiber reinforced polymer，CFRP）、芳綸纖維復(fù)合材料拉索（aramid fiber reinforced polymer，F(xiàn)RP）以及玄武巖纖維復(fù)合材料拉索，其中CFRP拉索由于優(yōu)異的力學(xué)與化學(xué)性能成為大跨斜拉橋斜拉索的首選［3-4］，但是高昂的材料成本（約為傳統(tǒng)鋼拉索的13倍）限制了CFRP拉索的大規(guī)模應(yīng)用［5］，AFRP拉索的長(zhǎng)期蠕變性能較差，且成本與CFRP拉索接近，亦不適宜在跨海斜拉橋中推廣應(yīng)用［6］.而由天然玄武巖制備而成的BFRP拉索，成本僅為CFRP拉索的1/10～1/6，且生產(chǎn)過程中無二氧化碳等氣體排放，具備優(yōu)異的長(zhǎng)、短期力學(xué)性能，是一種適用于跨海斜拉橋的新型綠色高性能拉索［7］.既有研究表明，BFRP拉索應(yīng)用于跨海斜拉橋能夠?qū)崿F(xiàn)多根、大直徑、大噸位拉索的錨固［8-10］，降低拉索風(fēng)致振動(dòng)的敏感度，實(shí)現(xiàn)拉索自身阻尼性能的智能調(diào)節(jié)［11］，能夠滿足跨海斜拉橋拉索的基本力學(xué)性能要求［12］.

海洋環(huán)境下高耐久性是高性能FRP材料的優(yōu)勢(shì)所在，但現(xiàn)階段針對(duì)BFRP拉索/筋材耐久性研究大多僅考慮單一環(huán)境因素［13］或單一環(huán)境因素與荷載兩種因素的影響［14-15］，但在跨海斜拉橋?qū)嶋H情況下，BFRP拉索是在鹽霧、紫外線、濕熱、降水等環(huán)境因素與預(yù)應(yīng)力荷載等多因素耦合作用下長(zhǎng)期服役，因此僅考慮環(huán)境因素或單一環(huán)境/荷載因素的耐久性研究并不能反映跨海斜拉橋BFRP拉索的真實(shí)耐久性能，需要考慮多因素耦合作用開展BFRP拉索的耐久性研究.文中針對(duì)我國(guó)跨海斜拉橋拉索服役的復(fù)雜環(huán)境，通過對(duì)跨海斜拉橋地區(qū)海洋氣候環(huán)境的深入調(diào)研，總結(jié)影響跨海斜拉橋BFRP拉索長(zhǎng)期服役性能的關(guān)鍵影響因素，提出了適用于跨海斜拉橋BFRP拉索的多因素耦合耐久性實(shí)驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)并開展了多因素耦合作用下BFRP拉索的耐久性試驗(yàn)，通過宏觀力學(xué)與微觀結(jié)構(gòu)分析揭示了多因素耦合作用下BFRP拉索的損傷退化機(jī)理，為BFRP拉索跨海斜拉橋的長(zhǎng)期服役安全性提供設(shè)計(jì)依據(jù).

1"我國(guó)跨海斜拉橋地區(qū)海洋氣候環(huán)境

目前我國(guó)已建成的跨海斜拉橋包括：港珠澳跨海大橋、膠州灣跨海大橋、杭州灣跨海大橋、東海大橋、泉州灣跨海大橋、舟山跨海大橋、嘉紹大橋、南澳大橋、廈漳跨海大橋以及平潭海峽公鐵大橋.為了分析不同區(qū)域跨海斜拉橋地區(qū)的海洋氣候環(huán)境，選擇了高、中、低3個(gè)典型緯度區(qū)域的跨海斜拉橋?yàn)檠芯繉?duì)象，由高到低緯分別為：膠州灣跨海大橋、杭州灣跨海大橋和港珠澳跨海大橋［16-21］.上述跨海斜拉橋地區(qū)2012年至2020年的氣候變化情況如圖1，從圖中可知，我國(guó)跨海斜拉橋所在地區(qū)四季溫度變化范圍為7.01～30.69 ℃；降水量偏大，降水時(shí)間較長(zhǎng)；光照時(shí)間長(zhǎng)，紫外線輻射強(qiáng)度范圍為2.68～29.55 W/m2；海水濃度變化較小，基本穩(wěn)定在30.5‰～33.72‰范圍內(nèi).

我國(guó)跨海斜拉橋所在地區(qū)平均氣溫在零度以上且空氣濕度較大，在一定溫、濕度條件下，水氣壓力增大，逐步向BFRP材料內(nèi)部擴(kuò)散，減弱BFRP材料分子間的作用力，上述濕熱情況將對(duì)BFRP拉索的耐久性造成重要影響；同時(shí)上述沿海地區(qū)降水量大、降水時(shí)間長(zhǎng)，而BFRP材料吸收水分后，纖維與基體間黏合作用減弱，導(dǎo)致BFRP材料的力學(xué)性能下降，因此降水對(duì)BFRP拉索長(zhǎng)期服役性能的影響不容忽視；跨海斜拉橋區(qū)域太陽輻射強(qiáng)、紫外線強(qiáng)度高，而BFRP拉索在吸收紫外線后將發(fā)生一系列的光催化反應(yīng)，導(dǎo)致BFRP拉索性能的嚴(yán)重退化，因此紫外線是影響B(tài)FRP拉索耐久性能的重要環(huán)境因素；海水的激烈擾動(dòng)、風(fēng)浪的破碎、海浪的拍岸將在跨海斜拉橋地區(qū)形成含鹽微小液滴的鹽霧，鹽霧中的氯離子將破壞纖維/樹脂界面的化學(xué)鍵，導(dǎo)致BFRP材料性能的損傷退化，因此鹽霧與FRP拉索的耐久性聯(lián)系密切；此外服役情況下跨海斜拉橋的拉索一直處于高預(yù)應(yīng)力工作狀態(tài)，高應(yīng)力將導(dǎo)致BFRP材料微裂紋的生成與擴(kuò)展，加速海洋環(huán)境中水汽、氯離子等對(duì)BFRP拉索的侵蝕，因此預(yù)應(yīng)力是影響B(tài)FRP拉索耐久性能的關(guān)鍵荷載因素.

2"跨海斜拉橋BFRP拉索多因素耦合耐久性試驗(yàn)方法

基于我國(guó)跨海斜拉橋地區(qū)海洋氣候環(huán)境的調(diào)研與影響因素分析，影響跨海斜拉橋BFRP拉索耐久性的關(guān)鍵因素包括濕熱、降水、紫外線、鹽霧以及預(yù)應(yīng)力.在實(shí)際服役環(huán)境中，跨海斜拉橋BFRP拉索長(zhǎng)期工作在濕熱-降水-紫外線-鹽霧-預(yù)應(yīng)力等多因素的耦合作用下，與單一環(huán)境因素作用或單一環(huán)境因素-荷載因素協(xié)同作用的BFRP材料相比，跨海斜拉橋BFRP拉索的性能退化更加明顯，根據(jù)單一環(huán)境因素或單一環(huán)境因素-荷載因素耐久性試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)對(duì)BFRP拉索的性能進(jìn)行分析，將導(dǎo)致分析結(jié)果與實(shí)際結(jié)果存在一定的偏差，為了提高試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際情況的相關(guān)性，需要設(shè)計(jì)一種能夠模擬多因素耦合作用下跨海斜拉橋BFRP拉索的耐久性試驗(yàn)方法.

文中基于IEC多因子老化試驗(yàn)方法［22］并結(jié)合跨海斜拉橋BFRP拉索的實(shí)際服役環(huán)境，提出一種預(yù)應(yīng)力-紫外線-濕熱-降水-鹽霧多因素耦合耐久性試驗(yàn)方法.該方法以一天為一個(gè)循環(huán)周期，一個(gè)周期可分為4個(gè)、6個(gè)、8個(gè)或12個(gè)階段.為了更全面兼顧多個(gè)影響因子，采用一個(gè)循環(huán)周期12個(gè)階段的試驗(yàn)方法，每個(gè)階段2 h.實(shí)際服役環(huán)境下跨海斜拉橋BFRP拉索始終處于受拉狀態(tài)，BFRP拉索的預(yù)應(yīng)力始終存在，因此整個(gè)循環(huán)過程中，預(yù)應(yīng)力始終產(chǎn)生作用.溫度作為加速因子在整個(gè)循環(huán)過程中亦一直產(chǎn)生作用.實(shí)際氣候條件下，太陽輻射時(shí)鹽霧濃度較低，降水亦不會(huì)發(fā)生；而跨海斜拉橋地區(qū)出現(xiàn)鹽霧時(shí)，太陽輻射的紫外線無法透射到地球表面；降水時(shí)，一般無紫外線輻射，鹽霧濃度也相對(duì)降低，因此降水、鹽霧、紫外線3個(gè)影響因素交替對(duì)下跨海斜拉橋BFRP拉索產(chǎn)生作用，每個(gè)影響因子的作用時(shí)間根據(jù)實(shí)際自然環(huán)境的統(tǒng)計(jì)結(jié)果設(shè)定.

根據(jù)我國(guó)跨海斜拉橋所處典型地區(qū)海洋氣候環(huán)境的調(diào)研結(jié)果，結(jié)合預(yù)應(yīng)力-紫外線-濕熱-降水-鹽霧多因素耦合耐久性試驗(yàn)方法，跨海斜拉橋BFRP拉索的多因素耦合耐久性試驗(yàn)方案如表1，表中空白階段表示相關(guān)影響因子不發(fā)生作用，表1為BFRP拉索多因素耦合耐久性試驗(yàn)的一個(gè)周期，各影響因素作用過程為：上午6～8時(shí)，太陽開始輻射，紫外線發(fā)生作用；8～10時(shí)下雨，降水發(fā)生作用，紫外線作用停止；10～14時(shí)出現(xiàn)鹽霧，鹽霧發(fā)生作用，降水、紫外線停止作用；14～18時(shí)，太陽重新開始輻射，紫外線發(fā)生作用，鹽霧、降水作用停止；18～22時(shí)開始降水，鹽霧、紫外線不發(fā)生作用；22時(shí)～翌日6時(shí)，鹽霧發(fā)生作用，紫外線、降水停止；然后開始下一個(gè)循環(huán)，而整個(gè)試驗(yàn)過程中，預(yù)應(yīng)力與溫度始終產(chǎn)生作用.

3"跨海斜拉橋BFRP拉索多因素耦合耐久性試驗(yàn)

3.1"跨海斜拉橋BFRP拉索多因素耦合耐久性試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)文中提出的跨海斜拉橋BFRP拉索多因素耦合耐久性試驗(yàn)方案，選取4 mm的BFRP拉索作為研究對(duì)象，基體為乙烯基樹脂，纖維體積含量為85%.基于ACI 440.3R-04規(guī)范制備試驗(yàn)試件，其形狀與尺寸如圖2.BFRP拉索多因素耦合耐久性加速試驗(yàn)的試驗(yàn)條件根據(jù)我國(guó)跨海斜拉橋地區(qū)氣候環(huán)境的調(diào)研結(jié)果進(jìn)行設(shè)定，由于我國(guó)跨海斜拉橋所在地區(qū)的海水濃度、紫外線強(qiáng)度以及降水變動(dòng)幅度較小，鹽霧濃度、降水強(qiáng)度及紫外線強(qiáng)度分別設(shè)定為調(diào)研結(jié)果的平均值，試驗(yàn)編組及參數(shù)如表2，每組試驗(yàn)不少于3個(gè)試件，其中B-1作為對(duì)比試件組.

通過多因素耦合老化試驗(yàn)箱如圖3（a）進(jìn)行BFRP拉索的耐久性試驗(yàn)，為實(shí)現(xiàn)BFRP拉索預(yù)應(yīng)力的施加與保持，設(shè)計(jì)如圖3（b）張拉裝置，通過擰緊螺母為BFRP拉索施加預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力大小通過應(yīng)變片測(cè)定.

3.2"跨海斜拉橋BFRP拉索多因素耦合耐久性試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

BFRP拉索經(jīng)過不同條件多因素耦合耐久性加速試驗(yàn)后，利用萬能試驗(yàn)機(jī)分別進(jìn)行各BFRP拉索試件的基本力學(xué)性能試驗(yàn)，其拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果列于表3中，其中拉伸強(qiáng)度與彈性模量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果均為各組試件的平均值.

多因素耦合作用下BFRP拉索的基本力學(xué)性能變化曲線如圖4，BFRP拉索的試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著多因素耦合作用時(shí)間的增加，BFRP拉索的拉伸強(qiáng)度不斷下降，如圖4（a），尤其在50℃、50%fu應(yīng)力水平作用下，BFRP拉索的腐蝕損傷加速，在480 h后，BFRP拉索的拉伸強(qiáng)度僅為原強(qiáng)度的64.43%.多因素耦合作用的初始階段，BFRP拉索拉伸強(qiáng)度下降顯著，但隨著作用時(shí)間的延長(zhǎng)，強(qiáng)度下降的趨勢(shì)逐漸減緩.當(dāng)BFRP拉索的預(yù)應(yīng)力水平處于50%fu及以下時(shí)，溫度對(duì)BFRP拉索拉伸性能退化的加速作用大于預(yù)應(yīng)力.相比未經(jīng)歷多因素耦合作用的BFRP拉索，多因素耦合作用下BFRP拉索的彈性模量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但彈性模量降低不明顯，如圖4（b），其保留率均在95%以上，而多因素耦合作用下BFRP拉索的彈性模量沒有明顯的變化規(guī)律.

4"BFRP拉索多因素耦合作用損傷退化機(jī)理

多因素耦合作用下BFRP拉索的損傷退化機(jī)理復(fù)雜，需要從微觀結(jié)構(gòu)尺度對(duì)BFRP拉索進(jìn)行了分析，利用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）對(duì)不同條件多因素耦合耐久性試驗(yàn)的BFRP拉索進(jìn)行觀測(cè)，其微觀結(jié)構(gòu)如圖5.通過對(duì)比不同多因素耦合作用下BFRP拉索的微觀結(jié)構(gòu)可知，BFRP拉索中玄武巖纖維基本保持完好，不同耦合作用條件下纖維/樹脂的界面則發(fā)生不同程度的破壞，從而導(dǎo)致BFRP拉索的基本力學(xué)性能產(chǎn)生不同程度的退化.

多因素耦合作用下BFRP拉索的損傷退化機(jī)理如圖6，由于玄武巖纖維的外層有樹脂基體的包裹保護(hù)，紫外線、水分子、鹽霧中的腐蝕氯離子并不會(huì)直接作用于玄武巖纖維，而是首先損傷破壞表層的樹脂基體.受限于BFRP拉索的制備工藝，BFRP拉索基體中存在初始的微裂紋，預(yù)應(yīng)力作用下微裂紋開始逐步擴(kuò)展，當(dāng)樹脂基體吸收紫外線后發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，樹脂基體的分子鏈被切斷、初始黏結(jié)被破壞，進(jìn)而發(fā)生脆化，產(chǎn)生新的微裂紋；水分子滲入樹脂后，一方面產(chǎn)生塑化作用，減小了樹脂分子間力的作用，另一方面引起水解作用，破壞樹脂的化學(xué)鍵，在水的作用下，樹脂/纖維的黏結(jié)強(qiáng)度不斷降低，微裂紋逐步產(chǎn)生擴(kuò)展；鹽霧中的氯離子通過微裂紋滲入間隙，破壞鏈接纖維與樹脂的化學(xué)鍵（主要是Si-O-Si鏈接鍵），從而引起纖維/樹脂界面的剝離，試驗(yàn)溫度作為催化因子，加速了上述多因素耦合作用下的物理、化學(xué)作用.在預(yù)應(yīng)力、紫外線、濕熱、降水、鹽霧等多因素的耦合作用下，微裂紋不斷生成、擴(kuò)展、貫通，纖維/樹脂界面的粘結(jié)強(qiáng)度不斷降低，從而引起B(yǎng)FRP拉索基本力學(xué)性能的退化與耐久性能的降低.

5"結(jié)論

根據(jù)我國(guó)跨海斜拉橋地區(qū)海洋氣候環(huán)境的調(diào)研結(jié)果，分析了影響跨海斜拉橋BFRP拉索長(zhǎng)期服役性能的關(guān)鍵因素，設(shè)計(jì)并開展了BFRP拉索的多因素耦合耐久性試驗(yàn)，基于BFRP拉索的基本力學(xué)試驗(yàn)與微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)，分析了多因素耦合作用下BFRP拉索的力學(xué)性能退化規(guī)律及損傷機(jī)理，主要得到以下結(jié)論：

（1） 我國(guó)跨海斜拉橋所在地區(qū)海洋氣候明顯：平均氣溫高、降水豐沛、紫外線輻射強(qiáng)度大、鹽霧濃度高，影響跨海斜拉橋BFRP拉索長(zhǎng)期性能的關(guān)鍵因素包括：預(yù)應(yīng)力、濕熱、紫外線、降水與鹽霧.

（2） 基于IEC多因子老化試驗(yàn)方法并結(jié)合跨海斜拉橋?qū)嶋H服役環(huán)境，提出了BFRP拉索的預(yù)應(yīng)力-紫外線-濕熱-降水-鹽霧多因素耦合耐久性試驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)并開展了BFRP拉索的多因素耦合耐久性試驗(yàn).

（3） BFRP拉索的基本力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果表明：多因素耦合作用下，BFRP拉索的拉伸強(qiáng)度下降明顯，預(yù)應(yīng)力水平50%fu及以下時(shí)，溫度對(duì)BFRP拉索拉伸性能退化的加速作用大于預(yù)應(yīng)力；BFRP拉索彈性模量降低較小，且無明顯規(guī)律.

（4） BFRP拉索的微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)表明：多因素耦合作用主要通過損傷纖維/樹脂界面影響B(tài)FRP拉索力學(xué)性能的退化，紫外線、降水、鹽霧通過破壞纖維與樹脂的化學(xué)鍵產(chǎn)生化學(xué)作用，預(yù)應(yīng)力、溫度作為加速因子則通過加速微裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展產(chǎn)生物理作用.

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（責(zé)任編輯：顧琳）